JP3140751B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子Info
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Description
本発明は青色発光の窒化ガリウム系化合物半導体発光
素子に関する。
素子に関する。
従来、青色の発光ダイオードとしてGaN系の化合物半
導体を用いたものが知られている。そのGaN系の化合物
半導体は直接遷移であることから発光効率が高いこと、
光の３原色の１つである青色を発光色とすること等から
注目されている。このようなGaN系の化合物半導体を用
いた発光ダイオードは、サファイア基板上に直接又は窒
化アルミニウムから成るバッファ層を介在させて、Ｎ導
電型のGaN系の化合物半導体から成るＮ層を成長させ、
そのＮ層の上にＩ導電型のGaN系の化合物半導体から成
るＩ層を成長させた構造をとっている。
導体を用いたものが知られている。そのGaN系の化合物
半導体は直接遷移であることから発光効率が高いこと、
光の３原色の１つである青色を発光色とすること等から
注目されている。このようなGaN系の化合物半導体を用
いた発光ダイオードは、サファイア基板上に直接又は窒
化アルミニウムから成るバッファ層を介在させて、Ｎ導
電型のGaN系の化合物半導体から成るＮ層を成長させ、
そのＮ層の上にＩ導電型のGaN系の化合物半導体から成
るＩ層を成長させた構造をとっている。
ところで、上記の発光ダイオードの発光輝度を向上さ
せるためには、発光に寄与するキャリア数を多くするた
めに、Ｎ層の厚さはできるだけ厚い方が望ましい。又、
良質なＩ層の結晶を得るためにもＮ層の厚さは厚い方が
望ましい。 一方、動作電圧を均一にするためには、Ｉ層の膜厚は
薄く均一に精度良く制御される必要がある。 ところが、従来のMOVPE法だけで結晶成長させると、
結晶成長速度が遅く、厚いＮ層を形成するのに時間がか
かるという問題がある。 一方、サファイア基板上に順次Ｎ型GaN、Ｉ型GaNをハ
ライド気相成長法で成長させるという方法もあるが、ハ
ライド気相成長法では成長速度が速くＩ層の膜厚を薄く
均一にすることが困難であった。 本発明者らはGaNの結晶成長について研究を重ねてき
た結果、ハライド気相成長法で大部分のＮ層を成長させ
た後、上層部を薄くMOVPE法で成長させることにより、
その上にMOVPE法により結晶性の良いＩ層を成長させる
ことができることを見出した。 本発明は、係る結論に基づいてなされたものであり、
その目的は、発光素子の製造速度及び発光特性を向上さ
せることである。
せるためには、発光に寄与するキャリア数を多くするた
めに、Ｎ層の厚さはできるだけ厚い方が望ましい。又、
良質なＩ層の結晶を得るためにもＮ層の厚さは厚い方が
望ましい。 一方、動作電圧を均一にするためには、Ｉ層の膜厚は
薄く均一に精度良く制御される必要がある。 ところが、従来のMOVPE法だけで結晶成長させると、
結晶成長速度が遅く、厚いＮ層を形成するのに時間がか
かるという問題がある。 一方、サファイア基板上に順次Ｎ型GaN、Ｉ型GaNをハ
ライド気相成長法で成長させるという方法もあるが、ハ
ライド気相成長法では成長速度が速くＩ層の膜厚を薄く
均一にすることが困難であった。 本発明者らはGaNの結晶成長について研究を重ねてき
た結果、ハライド気相成長法で大部分のＮ層を成長させ
た後、上層部を薄くMOVPE法で成長させることにより、
その上にMOVPE法により結晶性の良いＩ層を成長させる
ことができることを見出した。 本発明は、係る結論に基づいてなされたものであり、
その目的は、発光素子の製造速度及び発光特性を向上さ
せることである。
上記課題を解決するための発明の構成は、サファイア
基板と、サファイア基板上に直接的又は間接的に成長し
たＮ型の窒化ガリウム系化合物半導体（AlXGa1-XN;X＝
０を含む）からなるＮ層と、Ｎ層上に成長したＩ型の窒
化ガリウム系化合物半導体（AlXGa1-XN;X＝０を含む）
からなるＩ層とを有し、 Ｎ層はハライド気相成長法により成長させた膜厚の厚
い第1N層と、その第1N層の上に有機金属化合物気相成長
法（MOVPE）で成長させた膜厚の薄い第2N層とを有し、 Ｉ層は有機金属化合物気相成長法（MOVPE）で成長さ
せたことを特徴とする。 また、サファイア基板上と第1N層との間には、バッフ
ァ層が形成されていることが望ましい。 そのバッファ層は多結晶であることが望ましく、室温
から500℃の範囲で形成されることが望ましい。 さらに、バッファ層は、窒化アルミニウム（AlN）が
望ましい。 また、バッファ層は100〜1000Åの厚さであることが
望ましい。 また、バッファ層は分子線エピタキシー法（MBE）で
形成されることが望ましい。 第1N層、又は／及び、第2N層は窒化ガリウム（GaN）
であることが望ましく、サファイア基板の主面はｃ面
（0001）であることが望ましい。
基板と、サファイア基板上に直接的又は間接的に成長し
たＮ型の窒化ガリウム系化合物半導体（AlXGa1-XN;X＝
０を含む）からなるＮ層と、Ｎ層上に成長したＩ型の窒
化ガリウム系化合物半導体（AlXGa1-XN;X＝０を含む）
からなるＩ層とを有し、 Ｎ層はハライド気相成長法により成長させた膜厚の厚
い第1N層と、その第1N層の上に有機金属化合物気相成長
法（MOVPE）で成長させた膜厚の薄い第2N層とを有し、 Ｉ層は有機金属化合物気相成長法（MOVPE）で成長さ
せたことを特徴とする。 また、サファイア基板上と第1N層との間には、バッフ
ァ層が形成されていることが望ましい。 そのバッファ層は多結晶であることが望ましく、室温
から500℃の範囲で形成されることが望ましい。 さらに、バッファ層は、窒化アルミニウム（AlN）が
望ましい。 また、バッファ層は100〜1000Åの厚さであることが
望ましい。 また、バッファ層は分子線エピタキシー法（MBE）で
形成されることが望ましい。 第1N層、又は／及び、第2N層は窒化ガリウム（GaN）
であることが望ましく、サファイア基板の主面はｃ面
（0001）であることが望ましい。
Ｎ層の大部分はハライド気相成長法により成長される
ため、厚いＮ層が高速度で得られるので、発光素子の製
造速度が向上した。又は、Ｎ層の上層部の第2N層はMOVP
E法で形成し、その上にＩ層をMOVPE法で成長したので、
Ｉ層は結晶性が良く且つその層厚が均一に制御された。
その結果、発光特性が向上した。 また、サファイア基板上にバッファ層を形成すること
で、その上の各層の結晶性を向上させることができた。
特に、バッファ層を多結晶とすることで、バッファ層上
の第1N層、第2N層、及びＩ層の各層の単結晶性が良くな
った。バッファ層は室温から500℃の範囲で形成した
り、MBE法で形成することで、バッファ層上の各層の単
結晶性を向上させるために最適な多結晶とすることがで
きる。 また、バッファ層の厚さを100〜1000Åとすること
で、バッファ層上の第1N層、第2N層、及びＩ層の各層の
単結晶性が良くなった。
ため、厚いＮ層が高速度で得られるので、発光素子の製
造速度が向上した。又は、Ｎ層の上層部の第2N層はMOVP
E法で形成し、その上にＩ層をMOVPE法で成長したので、
Ｉ層は結晶性が良く且つその層厚が均一に制御された。
その結果、発光特性が向上した。 また、サファイア基板上にバッファ層を形成すること
で、その上の各層の結晶性を向上させることができた。
特に、バッファ層を多結晶とすることで、バッファ層上
の第1N層、第2N層、及びＩ層の各層の単結晶性が良くな
った。バッファ層は室温から500℃の範囲で形成した
り、MBE法で形成することで、バッファ層上の各層の単
結晶性を向上させるために最適な多結晶とすることがで
きる。 また、バッファ層の厚さを100〜1000Åとすること
で、バッファ層上の第1N層、第2N層、及びＩ層の各層の
単結晶性が良くなった。
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。 第１実施例 第１図は本発明の具体的な一実施例に係る発光ダイオ
ード１の構成を示した断面図である。 主面をｃ面（（0001）面）とするサファイア基板２を
硝酸で洗浄した後、更にアセトンで洗浄した。そして、
洗浄後、窒素ガスを吹き付けて乾燥させた後、そのサフ
ァイア基板２をハライド気相成長装置のサセプタに取り
付けた。その後、反応室の温度を900℃として、ガス流
の上流側に載置された金属GaにHClガスを流し、両者の
反応生成物として得られたGaClと、NH3と、キャリアガ
スN2を1000℃に加熱されたサファイア基板２に向かって
流した。流速はGaClが10ml/分、NH3が1.0／分、N2が
2.0／分とした。サファイア基板２上に成長したＮ型
のGaNから成る第1N層４の厚さは20μｍであり、その成
長速度は約１μm/分であった。 次に、第1N層４が成長したサファイア基板２をハライ
ド気相成長装置から取り出し、MOVPE装置の反応室のサ
セプタに載置した。そして、サファイア基板２を1000℃
に加熱して、キャリアガスとしてH2を2.5／分、NH3を
1.5／分、トリメチルガリウム（TMG）を20ml/分の割
合で12分間供給し、膜厚約２μｍのＮ型のGaNから成る
第2N層８を形成した。 次に、サファイア基板２を900℃にして、H2を2.5／
分、NH3を1.5／分、TMGを15ml/分、ジエチル亜鉛（DE
Z）を５×10-6モル／分の割合で５分間供給して、Ｉ型
のGaNから成るＩ層５を膜厚1.0μｍに形成した。 次に、第1N層４及び第2N層８の側壁とＩ層５の上面に
アルミニウム電極６、７を蒸着して、発光ダイオードを
形成した。 このようにして得られた発光ダイオード１の第1N層4,
第2N層８及びＩ層５の断面の顕微鏡写真、高エネルギー
電子線による反射回析法（RHEED）により、それぞれ、
良好な結晶性が得られていることが分かった。 特に、第1N層４をハライド気相成長法で高速に成長さ
せ、その上にMOVPE法で精密に成長させた第2N層８を形
成したので、Ｉ層５の結晶性は、Ｎ層をハライド気相成
長法だけで成長させたものに比べて良くなった。 又、この発光ダイオード１の発光ピークのスペクトル
は480nmであり、発光強度（軸上輝度）は10mcdであっ
た。 第２実施例 第２図は第２実施例に係る発光ダイオード10の構成を
示した断面図である。第１実施例と同様にして、主面を
ｃ面（（0001）面）とするサファイア基板２を硝酸で洗
浄した後、更にアセトンで洗浄した。そして、洗浄後、
窒素ガスを吹き付けて乾燥させた後、そのサファイア基
板２をMOVPE装置のサセプタに取り付けた。その後、サ
ファイア基板２を600℃に加熱して、キャリアガスとし
てH2を２／分、NH3を1.5／分、トリメチルアルミニ
ウム（TMA）を15ml/分の割合で６分間供給し、AlNから
成るバッファ層３を厚さ約0.1μｍに形成した。その
後、第１実施例と同様な手順にて、第1N層4,第2N層8,I
層５を順次形成して、発光ダイオード10を作成した。 このような作成された発光ダイオード10の第1N層4,第
2N層８及びＩ層５の断面の顕微鏡写真、高エネルギー電
子線による反射回析法（RHEED）により、それぞれ、良
好な結晶性が得られていることが分かった。 又、この発光ダイオード１の発光ピークのスペクトル
は480nmであり、発光強度（軸上輝度）は10mcdであっ
た。 第３実施例 本実施例は、第２実施例において、第２図のバッファ
層３を分子線エピタキシー法（MBE）により作成したも
のである。 第２実施例と同様にして、主面をｃ面（（0001）面）
とするサファイア基板２を洗浄した後、そのサファイア
基板２をMBE装置のサセプタに取り付けた。その後、サ
ファイア基板２を500℃に加熱して、窒素ガスプラズマ
中で、アルミニウムを蒸発させて、サファイア基板２の
主面上に窒化アルミニウム（AlN）から成るバッファ層
３を約500Åの厚さに形成した。 その後の第1N層4,第2N層8,I層5,電極6,7の作成方法
は、第１実施例と同様である。 このようにして得られた発光ダイオードの第1N層4,第
2N層８及びＩ層５の断面の顕微鏡写真、高エネルギー電
子線による反射回析法（RHEED）により、良好な結晶性
が得られていることが分かった。 又、この発光ダイオード１の発光ピークのスペクトル
は480nmであり、発光強度（軸上輝度）は10mcdであっ
た。 尚、本発明者らの考察によれば、MBEで形成されたバ
ッファ層３では、第1N層４のGaNの成長の核が、バッフ
ァ層３をMOVPEで成長させたものと比べて、均一に分散
し、そのために、第1N層４、第2N層８及びＩ層５の単結
晶性が良くなったと考えられる。 又、バッファ層３は、サファイア基板２を500℃にし
てMBEで形成したので、多結晶であった。 又、本発明者らは、バッファ層３は多結晶で成長させ
た方が単結晶で成長させた方よりも、第1N層４、第2N層
８及びＩ層５の単結晶性が良いことも見出した。 このためにもMBEでバッファ層３を成長させることは
効果があり、多結晶とする成長温度は、室温〜500℃が
望ましい。 又、第1N層４、第2N層８及びＩ層５の単結晶性を良く
するためには、バッファ層３の厚さは100〜1000Åが望
ましい。 尚、上記実施例では、第1N層４、第2N層８及びＩ層５
をGaNで形成したが、AlXGa1-XNで形成しても良い。
ード１の構成を示した断面図である。 主面をｃ面（（0001）面）とするサファイア基板２を
硝酸で洗浄した後、更にアセトンで洗浄した。そして、
洗浄後、窒素ガスを吹き付けて乾燥させた後、そのサフ
ァイア基板２をハライド気相成長装置のサセプタに取り
付けた。その後、反応室の温度を900℃として、ガス流
の上流側に載置された金属GaにHClガスを流し、両者の
反応生成物として得られたGaClと、NH3と、キャリアガ
スN2を1000℃に加熱されたサファイア基板２に向かって
流した。流速はGaClが10ml/分、NH3が1.0／分、N2が
2.0／分とした。サファイア基板２上に成長したＮ型
のGaNから成る第1N層４の厚さは20μｍであり、その成
長速度は約１μm/分であった。 次に、第1N層４が成長したサファイア基板２をハライ
ド気相成長装置から取り出し、MOVPE装置の反応室のサ
セプタに載置した。そして、サファイア基板２を1000℃
に加熱して、キャリアガスとしてH2を2.5／分、NH3を
1.5／分、トリメチルガリウム（TMG）を20ml/分の割
合で12分間供給し、膜厚約２μｍのＮ型のGaNから成る
第2N層８を形成した。 次に、サファイア基板２を900℃にして、H2を2.5／
分、NH3を1.5／分、TMGを15ml/分、ジエチル亜鉛（DE
Z）を５×10-6モル／分の割合で５分間供給して、Ｉ型
のGaNから成るＩ層５を膜厚1.0μｍに形成した。 次に、第1N層４及び第2N層８の側壁とＩ層５の上面に
アルミニウム電極６、７を蒸着して、発光ダイオードを
形成した。 このようにして得られた発光ダイオード１の第1N層4,
第2N層８及びＩ層５の断面の顕微鏡写真、高エネルギー
電子線による反射回析法（RHEED）により、それぞれ、
良好な結晶性が得られていることが分かった。 特に、第1N層４をハライド気相成長法で高速に成長さ
せ、その上にMOVPE法で精密に成長させた第2N層８を形
成したので、Ｉ層５の結晶性は、Ｎ層をハライド気相成
長法だけで成長させたものに比べて良くなった。 又、この発光ダイオード１の発光ピークのスペクトル
は480nmであり、発光強度（軸上輝度）は10mcdであっ
た。 第２実施例 第２図は第２実施例に係る発光ダイオード10の構成を
示した断面図である。第１実施例と同様にして、主面を
ｃ面（（0001）面）とするサファイア基板２を硝酸で洗
浄した後、更にアセトンで洗浄した。そして、洗浄後、
窒素ガスを吹き付けて乾燥させた後、そのサファイア基
板２をMOVPE装置のサセプタに取り付けた。その後、サ
ファイア基板２を600℃に加熱して、キャリアガスとし
てH2を２／分、NH3を1.5／分、トリメチルアルミニ
ウム（TMA）を15ml/分の割合で６分間供給し、AlNから
成るバッファ層３を厚さ約0.1μｍに形成した。その
後、第１実施例と同様な手順にて、第1N層4,第2N層8,I
層５を順次形成して、発光ダイオード10を作成した。 このような作成された発光ダイオード10の第1N層4,第
2N層８及びＩ層５の断面の顕微鏡写真、高エネルギー電
子線による反射回析法（RHEED）により、それぞれ、良
好な結晶性が得られていることが分かった。 又、この発光ダイオード１の発光ピークのスペクトル
は480nmであり、発光強度（軸上輝度）は10mcdであっ
た。 第３実施例 本実施例は、第２実施例において、第２図のバッファ
層３を分子線エピタキシー法（MBE）により作成したも
のである。 第２実施例と同様にして、主面をｃ面（（0001）面）
とするサファイア基板２を洗浄した後、そのサファイア
基板２をMBE装置のサセプタに取り付けた。その後、サ
ファイア基板２を500℃に加熱して、窒素ガスプラズマ
中で、アルミニウムを蒸発させて、サファイア基板２の
主面上に窒化アルミニウム（AlN）から成るバッファ層
３を約500Åの厚さに形成した。 その後の第1N層4,第2N層8,I層5,電極6,7の作成方法
は、第１実施例と同様である。 このようにして得られた発光ダイオードの第1N層4,第
2N層８及びＩ層５の断面の顕微鏡写真、高エネルギー電
子線による反射回析法（RHEED）により、良好な結晶性
が得られていることが分かった。 又、この発光ダイオード１の発光ピークのスペクトル
は480nmであり、発光強度（軸上輝度）は10mcdであっ
た。 尚、本発明者らの考察によれば、MBEで形成されたバ
ッファ層３では、第1N層４のGaNの成長の核が、バッフ
ァ層３をMOVPEで成長させたものと比べて、均一に分散
し、そのために、第1N層４、第2N層８及びＩ層５の単結
晶性が良くなったと考えられる。 又、バッファ層３は、サファイア基板２を500℃にし
てMBEで形成したので、多結晶であった。 又、本発明者らは、バッファ層３は多結晶で成長させ
た方が単結晶で成長させた方よりも、第1N層４、第2N層
８及びＩ層５の単結晶性が良いことも見出した。 このためにもMBEでバッファ層３を成長させることは
効果があり、多結晶とする成長温度は、室温〜500℃が
望ましい。 又、第1N層４、第2N層８及びＩ層５の単結晶性を良く
するためには、バッファ層３の厚さは100〜1000Åが望
ましい。 尚、上記実施例では、第1N層４、第2N層８及びＩ層５
をGaNで形成したが、AlXGa1-XNで形成しても良い。
第１図は本発明の具体的な一実施例に係る発光ダイオー
ドの構成を示した構成図である。 第２図は他の実施例に係る発光ダイオードの構成を示し
た構成図である。 1,10……発光ダイオード ２……サファイア基板 ３……バッファ層 ４……第1N層 ８……第2N層 ５……Ｉ層
ドの構成を示した構成図である。 第２図は他の実施例に係る発光ダイオードの構成を示し
た構成図である。 1,10……発光ダイオード ２……サファイア基板 ３……バッファ層 ４……第1N層 ８……第2N層 ５……Ｉ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真部 勝英 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 加藤 久喜 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 馬渕 彰 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 １番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市千種区不老町（番地な し） 名古屋大学内 (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市千種区不老町（番地な し） 名古屋大学内 (56)参考文献 特開 昭63−188977（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−4180（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−207332（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 21/205
Claims (9)
- 【請求項１】サファイア基板と、 前記サファイア基板上に直接的又は間接的に成長したＮ
型の窒化ガリウム系化合物半導体（AlXGa1-XN;X＝０を
含む）からなるＮ層と、 前記Ｎ層上に成長したＩ型の窒化ガリウム系化合物半導
体（AlXGa1-XN;X＝０を含む）からなるＩ層とを有し、 前記Ｎ層はハライド気相成長法により成長させた膜厚の
厚い第1N層と、その第1N層の上に有機金属化合物気相成
長法（MOVPE）で成長させた膜厚の薄い第2N層とを有
し、 前記Ｉ層は有機金属化合物気相成長法（MOVPE）で成長
させたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子。 - 【請求項２】前記サファイア基板上と前記第1N層との間
には、バッファ層が形成されていることを特徴とする請
求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項３】前記バッファ層は多結晶であることを特徴
とする請求項２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子。 - 【請求項４】前記バッファ層は室温から500℃の範囲で
形成されたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記
載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項５】前記バッファ層は、窒化アルミニウム（Al
N）であることを特徴とする請求項２乃至請求項４のい
ずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子。 - 【請求項６】前記バッファ層は100〜1000Åの厚さであ
ることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１
項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項７】前記バッファ層は分子線エピタキシー法
（MBE）で形成されたことを特徴とする請求項２乃至請
求項６のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子。 - 【請求項８】前記第1N層、又は／及び、前記第2N層は窒
化ガリウム（GaN）であることを特徴とする請求項１乃
至請求項７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子。 - 【請求項９】前記サファイア基板の主面はｃ面（0001）
であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれ
か１項に記載の記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光
素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23288688A JP3140751B2 (ja) | 1988-09-16 | 1988-09-16 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23288688A JP3140751B2 (ja) | 1988-09-16 | 1988-09-16 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Related Child Applications (3)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11203573A Division JP2000040842A (ja) | 1999-07-16 | 1999-07-16 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| JP11203574A Division JP2000040843A (ja) | 1999-07-16 | 1999-07-16 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| JP20357299A Division JP3402460B2 (ja) | 1999-07-16 | 1999-07-16 | 窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0281483A JPH0281483A (ja) | 1990-03-22 |
| JP3140751B2 true JP3140751B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=16946381
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23288688A Expired - Lifetime JP3140751B2 (ja) | 1988-09-16 | 1988-09-16 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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